自主跨座式單軌動(dòng)車齒輪箱設(shè)計(jì)

宋樹亮++朱仕元

摘 要：跨座式單軌交通車輛轉(zhuǎn)向架是支撐車體的設(shè)備，而齒輪箱總成又是單軌列車轉(zhuǎn)向架上的關(guān)鍵部件之一。合理設(shè)計(jì)單軌齒輪箱結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)向架性能具有極其重要的影響。文章主要介紹了我公司與青島四方車輛廠合作研發(fā)的跨座式單軌動(dòng)車齒輪箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)诬夶X輪箱；箱體；潤(rùn)滑；密封

根據(jù)跨座式單軌車輛動(dòng)力布置形式，單軌齒輪箱分為動(dòng)車齒輪箱和拖車齒輪箱，動(dòng)車齒輪箱與拖車齒輪箱主要區(qū)別在于是否帶有輸入驅(qū)動(dòng)部件。動(dòng)車齒輪箱總成將驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的動(dòng)力，通過減速增矩后傳遞給走行系統(tǒng)，是確保車輛正常行駛的關(guān)鍵傳動(dòng)裝置。受制于單軌轉(zhuǎn)向架緊湊的布置空間，制動(dòng)盤和制動(dòng)卡鉗需設(shè)計(jì)在齒輪箱上，因此即使是拖車車輛，也帶有拖車齒輪箱。

1 齒輪箱特點(diǎn)概述

跨座式單軌車輛運(yùn)行的軌道為一條寬為850mm的軌道梁，轉(zhuǎn)向架為騎跨在軌道上的結(jié)構(gòu)方式，基于這種特點(diǎn)，齒輪箱只能與驅(qū)動(dòng)電機(jī)、聯(lián)軸節(jié)一同布置于轉(zhuǎn)向架外側(cè)布置在軌道左右兩側(cè)，且采用全懸掛布置形式。齒輪箱與驅(qū)動(dòng)軸呈垂直布置，這就需要引入一對(duì)傘齒輪，將動(dòng)力方向改變。此布置形式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用空間少、在線維護(hù)便利等特點(diǎn)。

此外，跨座式單軌齒輪箱具有正反向行駛概率相等的特點(diǎn)。也就是說，如果車輛以正向行駛時(shí)，傘齒輪會(huì)因軸向力而產(chǎn)生斥力，反之則兩齒輪會(huì) 緊并有導(dǎo)致卡死造成傳動(dòng)失效的可能。因此，在齒輪箱方案設(shè)計(jì)時(shí)，可通過增加箱體軸承座的支撐剛性、增大軸承的接觸角、加大軸承規(guī)格等方法加以解決。在保證傘齒輪嚙合吃色的同時(shí)，也需保證齒輪的側(cè)隙。

而不同于一般地鐵齒輪箱的運(yùn)營(yíng)環(huán)境，跨座式單軌車輛車體在轉(zhuǎn)向架橫向外側(cè)設(shè)有防護(hù)板。這種較密閉的結(jié)構(gòu)空間會(huì)影響齒輪箱總成的通風(fēng)及散熱。因此，只有合理設(shè)計(jì)齒輪箱內(nèi)外部結(jié)構(gòu)，才能滿足這樣苛刻的運(yùn)營(yíng)環(huán)境要求。

2 齒輪箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

動(dòng)車單軌齒輪箱總成主要由上下箱體、輸入（傘）齒輪，中間齒，輸出齒輪、7套軸承和潤(rùn)滑系統(tǒng)、密封系統(tǒng)及附件等組成，各零部件和功能系統(tǒng)之間相輔相成，互相配合，形成了整個(gè)齒輪箱系統(tǒng)。

圖1是動(dòng)車單軌齒輪箱外形圖。

表1是動(dòng)車單軌齒輪箱主要牽引技術(shù)參數(shù)。

2.1 箱體設(shè)計(jì)

齒輪箱箱體除了承受輸出扭矩的反作用力，保證齒輪具有良好的嚙合精度以外，還作為一個(gè)密閉空間，為齒輪、軸承提供充分的潤(rùn)滑渠道。齒輪箱箱體采用水平臥式剖分結(jié)構(gòu)，中分面采用6個(gè)M20內(nèi)六角螺釘將上下箱體緊密結(jié)合。輸入軸線與中間軸線呈90°正交布置，中間軸線與輸出軸線互相平行。上箱體通過輸出法蘭面的12個(gè)M20的雙頭螺柱及六角頭螺母固定在構(gòu)架上。

全懸掛安裝形式意味著箱體應(yīng)具有足夠的剛性，走行輪的持續(xù)振動(dòng)沖擊要求箱體材料應(yīng)具有充分的沖擊韌性。而球墨鑄鐵EN-GJS-400-18-LT材料完全滿足單軌動(dòng)車齒輪箱箱體需求。表2是EN-GJS-400-18-LT材料機(jī)械性能。

經(jīng)過ANSYS有限元分析，箱體外表面設(shè)有合適的筋板，此設(shè)計(jì)一方面可以加強(qiáng)箱體的剛度，另一方面便于箱體快速散熱。此外，箱體還具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）輸出軸承座采用整體式形式，保證上箱體具有足夠的剛性；（2）上箱體頂部設(shè)有輸出大齒輪觀察孔蓋和中間軸視孔蓋，且注油口位于中間軸視孔蓋上，便于在線注油和檢查齒輪箱內(nèi)部情況；（3）下箱體底部平整，便于齒輪箱裝配和運(yùn)輸擺放；（4）下箱體設(shè)有油位觀察窗和排油堵，呈正交布置，便于注、放油時(shí)油位觀察；（5）箱體內(nèi)部設(shè)有合適的刮油板、油道、集油槽及加強(qiáng)筋等，為保證齒輪、軸承有充分的潤(rùn)滑。

2.2 齒輪設(shè)計(jì)

齒輪傳動(dòng)的好壞直接影響著齒輪箱傳動(dòng)效率、傳動(dòng)精度，是車輛正常驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵因素。動(dòng)車齒輪箱采用兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，第一級(jí)為正交螺旋弧齒錐齒輪傳動(dòng)，第二級(jí)為漸開線圓柱斜齒輪傳動(dòng)。動(dòng)力輸出是通過漸開線花鍵與驅(qū)動(dòng)軸連接，將輸出軸驅(qū)動(dòng)扭矩傳遞到驅(qū)動(dòng)軸上，驅(qū)動(dòng)走行輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

螺旋錐齒輪和圓柱斜齒輪材料根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果和工藝實(shí)際情況，均采用18CrNiMo7-6材質(zhì)，符合EN10084標(biāo)準(zhǔn)要求。齒廓表面經(jīng)過滲碳淬火熱處理工藝，齒面硬度達(dá)58～64HRC。為了提高齒輪嚙合精度，降低噪聲，齒輪需經(jīng)過MASTA軟件模擬計(jì)算修形量，經(jīng)磨削修形，齒輪精度達(dá)到ISO1328標(biāo)準(zhǔn)的6級(jí)精度要求。錐齒輪疲勞強(qiáng)度計(jì)算符合ISO10300標(biāo)準(zhǔn)要求，而圓柱斜齒輪疲勞強(qiáng)度計(jì)算符合ISO6336標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 軸承設(shè)計(jì)

輸入主動(dòng)錐齒輪軸采用懸臂支撐形式，由兩個(gè)圓柱滾子軸承和一個(gè)四點(diǎn)球軸承作支撐，此軸承配置結(jié)構(gòu)便于安裝和調(diào)試。中間軸采用簡(jiǎn)支梁式支撐，兩個(gè)圓錐滾子軸承分別布置在兩端。由于制動(dòng)盤安裝在中間軸上，軸承壽命計(jì)算時(shí)，需考慮制動(dòng)扭矩的影響。輸出軸軸承配置形式與中間軸相同。軸承壽命計(jì)算符合ISO281標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計(jì)壽命達(dá)250萬公里。

2.4 潤(rùn)滑設(shè)計(jì)

跨座式單軌車輛具有爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小等特點(diǎn)，這就意味著單軌動(dòng)車齒輪箱相對(duì)于地鐵齒輪箱來說，齒輪箱的傾角更大，對(duì)齒輪箱潤(rùn)滑和密封要求要更嚴(yán)格。因此，齒輪箱內(nèi)部需設(shè)計(jì)合適的隔板、油槽和通道，以保證在各種速度、負(fù)荷、溫度和氣候條件下，所有的軸承和齒輪都有足夠的潤(rùn)滑。

動(dòng)車單軌齒輪箱的齒輪、軸承潤(rùn)滑均采用飛濺潤(rùn)滑方式，并使用相同的潤(rùn)滑油（牌號(hào)：75W-90）。下箱體底部設(shè)有寬大的油池，中間軸傘齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，將潤(rùn)滑油攪動(dòng)，飛濺到箱體壁，潤(rùn)滑油會(huì)順著內(nèi)壁流入集油槽，經(jīng)過油道流入軸承位置，提供高速軸和中間軸軸承潤(rùn)滑?？紤]到中間軸系與輸出軸系垂向高度差達(dá)275mm，在中間軸系上設(shè)有甩油盤。此甩油盤隨著中間軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，將油池里的潤(rùn)滑油拋灑在上箱體內(nèi)壁上，潤(rùn)滑油順著油道可充分潤(rùn)滑輸出軸承。

2.5 散熱設(shè)計(jì)

受制于相對(duì)密閉的車輛空間，齒輪箱只有從自身考慮如何有效解決散熱問題。以下從齒輪箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝等角度，列舉了幾項(xiàng)解決措施：（1）增加箱體表面積，如上箱體增加筋板數(shù)量，可增大散熱面積；（2）增加存油量，下箱體設(shè)有寬大的油池，可降低潤(rùn)滑油升溫速率；（3）加大軸承潤(rùn)滑進(jìn)、回油孔直徑，做到快進(jìn)快回，可降低軸承溫度；（4）減少傘齒輪的浸油深度，可降低傘齒輪因攪油而產(chǎn)生的熱量；（5）提高齒輪、箱體加工精度，可降低傳動(dòng)誤差，提高傳動(dòng)效率。

綜上，一方面從熱量的源頭，做到少發(fā)熱；另一方面從散熱角度，做到快速散熱。

2.6 密封設(shè)計(jì)

齒輪箱密封性能直接關(guān)系到齒輪和軸承能否有效得到潤(rùn)滑，是齒輪箱正常工作的關(guān)鍵要素。齒輪箱密封由箱體、密封環(huán)、旋轉(zhuǎn)軸等組成。通常，動(dòng)車齒輪箱密封分為接觸式靜密封和非接觸式動(dòng)密封。

2.6.1 接觸式靜密封

整個(gè)傳動(dòng)齒輪箱內(nèi)，在密封端蓋-軸承座和軸承座-箱體之間的接觸式靜密封均采用O形橡膠密封圈和515端面厭氧型密封膠雙重密封；上下箱體分箱面處以及其它各處的結(jié)合面均采用515端面厭氧型密封膠的密封。該密封方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠。

2.6.2 非接觸式動(dòng)密封

對(duì)于齒輪箱輸入軸、中間軸及輸出軸等貫通部位的密封，均采用非接觸式機(jī)械密封，即采用間隙式機(jī)械迷宮密封的雙層密封方式。此密封方式，既可以減小內(nèi)部油汽壓力和流動(dòng)性，保證齒輪箱內(nèi)部油汽不滲漏，同時(shí)，還可以保證外部灰塵雜質(zhì)及水無法進(jìn)入齒輪箱。

相較于地鐵齒輪箱，單軌齒輪箱距離軌道更近，所以單軌齒輪箱還需考慮潤(rùn)滑油防乳化，以下列舉了幾條潤(rùn)滑油防乳化措施：（1）迷宮處：采用非接觸式密封結(jié)構(gòu)，迷宮外側(cè)有防水槽及放水孔，以免齒輪箱外側(cè)水進(jìn)入迷宮內(nèi)側(cè)。（2）分箱面：分箱面的加工嚴(yán)格按照工藝要求執(zhí)行，合箱時(shí)配合使用合箱專用工裝以及端面厭氧型密封膠進(jìn)行密封，防止分箱面潤(rùn)滑油發(fā)生滲漏及濕氣滲入。（3）注、排油螺堵處：齒輪箱注、排油螺堵采用磁性油塞，并配合組合密封墊使用，能有效防止?jié)櫥托孤┘巴饨缢M(jìn)入。（4）油位計(jì)處：對(duì)油位計(jì)上的細(xì)牙螺紋進(jìn)行密封鎖固，并配合組合密封墊使用，防止發(fā)生滲漏及外界水汽進(jìn)入。

3 結(jié)束語

文章主要介紹了我公司與青島四方車輛廠合作研發(fā)的跨座式單軌動(dòng)車齒輪箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，符合《GB50458跨座式單軌交通設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)要求。目前，合作研發(fā)的跨座式單軌動(dòng)車齒輪箱已生產(chǎn)，并已經(jīng)過各項(xiàng)型式試驗(yàn)驗(yàn)證，可完全滿足單軌車輛使用要求，為我國(guó)跨座式單軌動(dòng)車齒輪箱自主設(shè)計(jì)填補(bǔ)了空白。

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